STM32与RT-Thread实现MQTTS通信：TLS/SSL配置及EMQX云平台测试

一、硬件与软件环境

• 开发板：STM32F407
• 操作系统：RT-Thread 4.1.0

二、工程配置步骤

2.1 以太网配置

首先，需要在RT-Thread的配置菜单中启用以太网驱动，以确保设备具备网络通信能力。完成配置后，可以通过 ping 命令测试网络连通性。

2.2 启用RTC实时时钟

部分网络协议和TLS握手过程对时间有要求，因此需要启用板载的RTC（实时时钟）模块。在芯片外设驱动配置中找到并启用RTC。

2.3 软件包配置

这是实现 MQTT协议 通信的核心步骤。

1. 添加Paho MQTT包

• 软件包名称：pahomqtt
• 版本：v1.2.0
• 关键配置：若需启动TLS功能，必须将“Set MQTT thread stack size”设置为 6144 或以上。

2. 配置mbedtls加密库

• 软件包：mbedtls
• 版本：v2.28.1
• 关键配置：必须将“Maximum fragment length in bytes”（最大分片长度）从默认值增大，例如设置为 8192，以满足TLS握手过程的数据包大小需求。

3. 选择TLS证书类型
在配置mbedtls时，需要选择根证书，这决定了认证方式：

• 无证书SSL连接（单向认证）：选择类似 “Using Digicert Global Root CA” 的预设CA证书。这种方式只验证服务器证书，客户端无需证书。

• 使用自定义CA证书（单/双向认证）：选择 “Using user CA”。你需要将自己的根证书文件（如broker.emqx.io-ca.crt）复制到工程目录下的 certs 文件夹中。这种方式可用于更严格的双向认证。

配置完成后，保存设置，退出菜单，并让 RT-Thread系统 自动下载软件包并生成工程。

2.4 证书导出（如需自定义证书）

如果需要使用自定义CA证书，通常需要将.crt格式证书转换为嵌入式系统可用的格式。

转换步骤：

1. 双击 broker.emqx.io-ca.crt 文件，打开证书查看器。
2. 点击「详细信息」选项卡，然后点击「复制到文件」按钮，启动证书导出向导。
3. 点击「下一步」，选择「否，不导出私钥」。
4. 选择导出格式：
   • 二进制格式：选择“DER 编码的二进制 X.509 (.CER)”。
   • 文本格式（常用）：选择“Base64 编码的 X.509 (.CER)”。本示例选择此格式。
5. 点击「下一步」，指定保存路径（如 broker.emqx.io-ca.cer），完成导出。

注意：使用scons命令编译工程后，构建系统会自动将certs目录下的证书文件内容转换并拷贝到代码中的 const char mbedtls_root_certificate[] 数组中。

完成证书放置后，需重新生成工程以使证书生效。

2.5 编译错误修正

在编译过程中可能会遇到一些错误，需要进行修正。

1. 函数参数名错误
在 pahomqtt 软件包的某些版本中，MQTTPublish 函数的参数名可能存在拼写错误。需要找到该函数定义，将 topicname 和 c 分别修改为 topic 和 client。

修改后的函数头应如下所示：

/**
 * This function publish message to specified mqtt topic.
 * [MQTTMessage] + [payload] + [topic] + '\0'
 *
 * @param client the pointer of MQTT context structure
 * @param topic topic filter name
 * @param message the pointer of MQTTMessage structure
 *
 * @return the error code, 0 on subscribe successfully.
 */
int MQTTPublish(MQTTClient *client, const char *topic, MQTTMessage *message)
{
    // ... 函数体保持不变
}

2. 修改 MEMP_NUM_NETDB 宏定义
网络相关内存池大小可能不足，导致运行时错误。需要修改LwIP配置。

• 文件路径：rt-thread\components\net\lwip\lwip-2.1.2\src\include\lwip\opt.h
• 修改内容：找到 MEMP_NUM_NETDB 宏定义，将其值修改为 2。

/*
 * MEMP_NUM_NETDB: the number of concurrently running lwip_addrinfo() calls
 * (before freeing the corresponding memory using lwip_freeaddrinfo()).
 */
#if !defined(MEMP_NUM_NETDB) || defined(__DOXYGEN__)
#define MEMP_NUM_NETDB 2
#endif

3. MQTTS测试连接地址
本次测试使用的公共MQTT Broker地址为：

# 测试链接：
ssl://broker-cn.emqx.io:8883

三、功能测试

完成上述配置和修正后，编译并下载程序到STM32开发板，进行MQTTS通信测试。

测试结果：

1. 无证书SSL单向认证测试
使用预设CA证书，连接成功并可以正常订阅、发布消息。

msh /mqtt_start
[D/mqtt.sample] inter mqtt_connect_callback!
[D/mqtt] ipv4 address port: 8883
[D/mqtt] HOST = 'broker-cn.emqx.io'
msh /D/mqtt tls connect success...
[I/mqtt] MQTT server connect success.
[I/mqtt] Subscribe #0 /mqtt/test OK!
[D/mqtt.sample] inter mqtt_online_callback!
msh /mqtt_publish 123456
msh /[D/mqtt.sample] mqtt sub callback: /mqtt/test 123456

2. 有证书SSL单向认证测试
使用自定义CA证书，同样可以成功建立安全连接并进行通信。

msh /> mqtt_publish 123456
msh /[D/mqtt.sample] mqtt sub callback: /mqtt/test 123456
msh /> mqtt_publish dkjfiowehfbdmjfp0213uwebnf
msh /[D/mqtt.sample] mqtt sub callback: /mqtt/test dkjfiowehfbdmjfp0213uwebnf

四、参考资料

1. EMQX TLS/SSL 连接文档：https://docs.emqx.com/zh/cloud/latest/deployments/tls_ssl.html
2. RT-Thread 连接 EMQX Cloud：https://www.emqx.com/zh/blog/rt-thread-connects-to-emqx-cloud-with-tls

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希望这份详细的配置指南能帮助你成功在STM32与RT-Thread上实现安全的MQTTS通信。在实践中遇到任何问题，欢迎到 云栈社区 的嵌入式开发板块与更多开发者交流探讨。